Общая структура линейчатых спектров — это структура, предсказанная квантовой механикой нерелятивистских электронов без спина. Для водородного атома уровни энергии грубой структуры зависят только от главного квантового числа n . Однако более точная модель учитывает релятивистские и спиновые эффекты, которые нарушают вырождение энергетических уровней и расщепляют спектральные линии. Масштаб расщепления тонкой структуры относительно общих энергий структуры имеет порядок ( Zα ) 2 , где Z — атомный номер , а α — константа тонкой структуры , безразмерное число, равное примерно 1/137.
Релятивистские поправки
Поправки к энергии тонкой структуры можно получить с помощью теории возмущений . Чтобы выполнить этот расчет, необходимо добавить к гамильтониану три корректирующих члена : релятивистскую поправку ведущего порядка к кинетической энергии, поправку, обусловленную спин-орбитальным взаимодействием , и дарвиновский член, возникающий из-за квантового флуктуационного движения или zitterbewegung электрона.
Эти поправки также можно получить из нерелятивистского предела уравнения Дирака , поскольку теория Дирака естественным образом включает в себя теорию относительности и спиновые взаимодействия.
Атом водорода
В этом разделе обсуждаются аналитические решения для атома водорода , поскольку проблема разрешима аналитически и является базовой моделью для расчета уровней энергии в более сложных атомах.
Релятивистская поправка к кинетической энергии
Грубая структура предполагает, что член кинетической энергии гамильтониана принимает ту же форму, что и в классической механике , что для одного электрона означает
Однако при рассмотрении более точной теории природы с помощью специальной теории относительности мы должны использовать релятивистскую форму кинетической энергии:
Хотя в этой серии бесконечное число членов, последние намного меньше предыдущих, поэтому мы можем игнорировать все, кроме первых двух. Поскольку первый член выше уже является частью классического гамильтониана, поправка первого порядка к гамильтониану равна
Используя это как возмущение , мы можем вычислить поправки к энергии первого порядка, обусловленные релятивистскими эффектами.
где – невозмущенная волновая функция. Вспоминая невозмущенный гамильтониан, мы видим
Мы можем использовать этот результат для дальнейшего расчета релятивистской поправки:
При окончательном расчете порядок величины релятивистской поправки к основному состоянию равен .
Спин-орбитальная связь
Для водородоподобного атома с протонами ( для водорода), орбитальным угловым моментом и спином электрона спин-орбитальный член определяется выражением:
Спин - орбитальную поправку можно понять, перейдя от стандартной системы отсчета (где электрон вращается вокруг ядра ) к той, где электрон неподвижен, а ядро вместо этого вращается вокруг него. В этом случае орбитальное ядро действует как эффективная токовая петля, которая, в свою очередь, генерирует магнитное поле. Однако сам электрон обладает магнитным моментом благодаря своему собственному угловому моменту . Два магнитных вектора соединяются вместе, так что существует определенная стоимость энергии, зависящая от их относительной ориентации. Это приводит к энергетической коррекции вида
Обратите внимание, что к расчетам необходимо добавить важный коэффициент 2, называемый прецессией Томаса , который возникает из релятивистских расчетов, которые возвращаются к системе координат электрона из системы ядра.
С
по соотношениям Крамерса-Пастернака и
математическое ожидание гамильтониана равно:
Таким образом, порядок величины спин-орбитальной связи следующий:
При приложении слабых внешних магнитных полей спин-орбитальная связь способствует эффекту Зеемана .
Дарвиновский термин
В нерелятивистском разложении уравнения Дирака есть один последний член . Его называют термином Дарвина, поскольку он был впервые выведен Чарльзом Гальтоном Дарвином и определяется следующим образом:
Член Дарвина влияет только на s-орбитали. Это связано с тем, что волновая функция электрона исчезает в начале координат, следовательно, дельта-функция не оказывает никакого влияния. Например, это дает орбитали 2s ту же энергию, что и орбитали 2p, повышая состояние 2s на9,057 × 10 -5 эВ .
Член Дарвина изменяет потенциальную энергию электрона. Его можно интерпретировать как размытие электростатического взаимодействия между электроном и ядром из-за zitterbewegung или быстрых квантовых колебаний электрона. Это можно продемонстрировать с помощью короткого расчета. [4]
Квантовые флуктуации позволяют создавать виртуальные электрон-позитронные пары, время жизни которых оценивается принципом неопределенности . Расстояние, на которое частицы могут переместиться за это время , равно комптоновской длине волны . Электроны атома взаимодействуют с этими парами. Это приводит к колеблющемуся положению электрона . Используя разложение Тейлора , можно оценить влияние на потенциал :
Усреднение по колебаниям
дает средний потенциал
Аппроксимируя , это дает возмущение потенциала из-за флуктуаций:
Другим механизмом, который влияет только на s-состояние, является лэмбовский сдвиг , дальнейшая, меньшая поправка, возникающая в квантовой электродинамике , которую не следует путать с дарвиновским членом. Член Дарвина дает s-состоянию и p-состоянию одинаковую энергию, но лэмбовский сдвиг делает s-состояние более высоким по энергии, чем p-состояние.
Суммарный эффект также можно получить, используя уравнение Дирака. В этом случае электрон считается нерелятивистским. Точные энергии даны из [6]
Это выражение, которое содержит все члены более высокого порядка, которые были исключены в других расчетах, расширяется до первого порядка, чтобы дать поправки к энергии, полученные из теории возмущений. Однако это уравнение не содержит поправок сверхтонкой структуры , обусловленных взаимодействием со спином ядра. Другие поправки из квантовой теории поля, такие как лэмбовский сдвиг и аномальный магнитный дипольный момент электрона, не включены.
^ А. А. Майкельсон ; Э. У. Морли (1887). «О методе превращения длины волны натриевого света в фактический практический стандарт длины». Американский научный журнал . 34 : 427.
^ А. А. Майкельсон ; Э. У. Морли (1887). «О методе превращения длины волны натриевого света в фактический практический стандарт длины». Философский журнал . 24 : 463.
^ А. Зоммерфельд (июль 1940 г.). «Zur Feinstruktur der Wasserstofflinien. Geschichte und gegenwärtiger Stand der Theorie». Naturwissenschaften (на немецком языке). 28 (27): 417–423. дои : 10.1007/BF01490583. S2CID 45670149.
^ Зелевинский, Владимир (2011), Квантовая физика, Том 1: От основ к симметрии и возмущениям , WILEY-VCH, с. 551, ISBN978-3-527-40979-2
^ Берестецкий, В.Б.; Е.М. Лифшиц; Л. П. Питаевский (1982). Квантовая электродинамика . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN978-0-7506-3371-0.
^ Зоммерфельд, Арнольд (1919). Атомбау и спектральная линия. Брауншвейг: Фридрих Видег и Зон. ISBN 3-87144-484-7.немецкий английский
Гриффитс, Дэвид Дж. (2004). Введение в квантовую механику (2-е изд.) . Прентис Холл. ISBN 0-13-805326-Х.